The effects of working memory training on cognitive functions and the neural substrate in both humans and mice

Neuroplasticity is the ability of the adult brain to learn new behaviours, to form new memories and also to change the underlying neural circuit that is responsible for this learning. This feature may be helpful against cognitive disorders that coincide with systemic nervous changes, such as aging or the onset of schizophrenia. Thus, the question that arises is whether innovative activities can lead to changes in basic cognitive function. One such activity is the training of working memory, which is a very popular theme of study.Working memory, as the ability to store and process information, is a fundamental cognitive function. It is systematically considered essential for aspects of daily functioning, such as the ability to retain attention. One way to improve working memory capacity is through training. A large amount of research studies and several meta-analyses have tested the benefits of this training and several of them arguing, whether training can lead to improvements of other cognitive functions that are related to it. This ability, which constitutes cognitive transfer, is the aim of this study. In particular, the present study seeks to investigate whether training of working memory can improve cognitive flexibility in both human and mice. Cognitive flexibility is a superior executive function, which can be defined as the ability to adapt behaviours in a changing environment. One prerequisite for improving cognitive flexibility is that the two tasks (training and transfer) must use a common neuroanatomical and neurophysiological background. In the present study this is accomplished, since the neuroanatomical background of working memory focuses on the prefrontal cortex, an upper area of the brain that supports executive functions. The prefrontal cortex, however, is associated with both the hippocampus, the area that supports spatial memory, and the orbitofrontal cortex, which supports adaptability to changing rules.In particular, the human study examined the effects of working memory training on cognitive flexibility in a sample of 144 healthy participants, 18-43 years old (74: men & 65: women), who were divided into three groups. In a)control group: participants had no involvement in the study for six days following the baseline assessment session, b)partially adapted group: for six consecutive days following the baseline assessment session, participants were administered the LNS up to the strings with three digits and c)fully adapted group: for six consecutive days following the baseline assessment session, participants were administered the LNS up to the last string. One week after the baseline assessment session, all participants were administered the Intra / Extra Dimensional Shift test (ID/EDS). During the baseline assessment session, mouthwash samples of participants were additionally taken. The aim of this step was the correlation of the performance of the three group of participants with specific genetic polymorphisms, the COMT (rs4680) and BDNF (rs6265). The results showed a statistically significant effect of working memory training on cognitive flexibility. More specifically, it turned out that the fully adapted group made less mistakes, presented with fewer latency and made less efforts to complete the stages of the task compared to the control group. Regarding gender, it was found that men compared to women participants took longer to complete the nine stages of the ID / EDS test. However, no other sex differences were observed in the cognitive flexibility task. Regarding the correlation between the genetic background and the group, it was found that only in the control group, the participants carrying the Met / Val allele (heterozygotes) needed a larger number of trials to complete the stages of the task compared to the homozygous participants ( Val / Val and Met / Met) of control group and alsothe heterozygotes participants of partially and fully adapted groups. Using a similar experimental design, based on the second objective, the animal study examines the effect of working memory training, using the Delayed Alternation Task (DAT) in the T-maze, on cognitive flexibility. Specifically, 79 C57BL/6 mice, 2-9 month of age were used (67: males & 32: females). The animals were divided into three groups, in: a)naive group: mice remained in their home cage and had no involvement in the task, b)partially adaptive group: mice learned to alternate arms but, without any delays in the delayed alternation task and c)fully adaptive group: mice performed the alternation procedure with increasing delays of 10, 20, 30, 40 and 50 seconds, in the same task. The working memory training lasted nine days and two days later, all the mice underwent a cognitive flexibility assessment task, the Attentional Set - Shifting Task (AST). Also, in 15 animals of all three groups, the tasks of memory recognition of objects and the contextual fear learning were performed. At the end of the behavioural tasks, 26 mice were euthanised and their brains were removed and subject to Golgi-Cox staining technique and Nissl staining.The results show that the fully adapted group performed better, as it made fewer errors and fewer trials to complete the stages of AST compared to the partially adapted group. This improved image of the fully adapted group was observed in key stages of the task, one of which require the shifting within dimension (Compound discrimination reversal -CDR). Also, in the case of female mice, it was found significant differences in the latency in the same task, as it was found that the fully and partially adapted groups presented with fewer latency in the cases of right and total trials, in choosing one of the two bowls and the time finding the food reward, compared to the naive group. Regarding age differences, it was found in Simple Discrimination and Intradimensional Shift I stage, that the animals aged 6-9 months in the naive group presented with decreased number of errors compared to the younger ones (2-5 months). Also, the older animals in the partially adapted group needed a more trials to complete the Extradimentional Shift stage compared to the younger ones, effect that was not observed in the other two groups. These differences observed in the three groups in cognitive flexibility were not observed in the tasks of memory recognition and contextual fear learning. Finally, with the use of Golgi Cox staining, it was found that younger male mice showed a higher density of total and mature spines compared to the 6-8 months of age mice, in the areas of the prefrontal cortex and hippocampus. Also, the fully adapted group showed an increased density of mature spines of the prefrontal cortex (for both sexes) and hippocampus (CA1 region) (only for male mice) in comparison with naive group. However, no differences were observed in the thickness of theprefrontal cortex and hippocampus in the three groups, with Nissl staining.In summary, the findings of this thesis support the importance of translation for investigating the effects of working memory training on other cognitive functions. This multi- faceted approach contributes to better understanding of the effects of cognitive training and to the attempt to explore the neural circuit that working memory training acts. The findings have potential implications in the development of customised early intervention programmes in populations at-risk, with mild forms of problem.Η νευροπλαστικότητα είναι η ικανότητα του ενήλικου εγκεφάλου να μαθαίνει νέες συμπεριφορές, να σχηματίζει νέες μνήμες και επίσης να μεταβάλλει τις υποκείμενες νευρικές δομές που είναι υπεύθυνες για αυτή τη μάθηση. Αυτή η δυνατότητα μπορεί να λειτουργήσει βοηθητικά ενάντια στις γνωστικές διαταραχές, που συμπίπτουν με τις συστημικές νευρικές αλλαγές, όπως η γήρανση ή η εμφάνιση της σχιζοφρένειας. Έτσι, το ερώτημα που τίθεται είναι εάν καινοτόμες δραστηριότητες μπορούν να οδηγήσουν σε αλλαγές στη βασική γνωσιακή λειτουργία. Μια τέτοια δραστηριότητα είναι η εξάσκηση της μνήμης εργασίας, η οποία αντιπροσωπεύει ένα αντικείμενο μελέτης με ραγδαία δημοτικότητα. Η μνήμη εργασίας, ως η ικανότητα διατήρησης και επεξεργασίας πληροφοριών, συνιστά μια θεμελιώδης γνωστική λειτουργία. Συστηματικά θεωρείται απαραίτητη για πτυχές της καθημερινής λειτουργικότητας, όπως η διατήρηση της προσοχής. Ένας τρόπος βελτίωσης της είναι μέσω δοκιμασιών εξάσκησης της. Ένας μεγάλος αριθμός ερευνητικών εργασιών και αρκετών μετά- αναλύσεων έχει ελέγξει τα οφέλη αυτής της εξάσκησης, υποστηρίζοντας (αρκετές από αυτές) ότι μπορεί να οδηγήσει σε βελτίωση και άλλων γνωστικών λειτουργιών που σχετίζονται με αυτήν. Η ικανότητα αυτή, η οποία συνιστά τη γνωστική μεταφορά, είναι ο στόχος της παρούσας μελέτης. Ειδικότερα, η παρούσα μελέτη επιδιώκει να διερευνήσει κατά πόσον η εξάσκηση της μνήμης εργασίας μπορεί να βελτιώσει τη γνωστική ευελιξία, τόσο σε δείγμα ανθρώπων όσο και σε δείγμα μυών. Η γνωστική ευελιξία είναι μια ανώτερη εκτελεστική λειτουργία, που μπορεί να οριστεί ως η ικανότητα προσαρμογής συμπεριφορών σε συνάρτηση με τις αλλαγές του περιβάλλοντος. Απαραίτητη προϋπόθεση για να επέλθει η βελτίωση της γνωστικής ευελιξίας είναι οι δυο λειτουργίες να χρησιμοποιούν κοινό νευροανατομικό και νευροφυσιολογικό υπόβαθρο. Αυτό συμβαίνει στην παρούσα μελέτη, εφόσον το νευροανατομικό υπόβαθρο της μνήμης εργασίας εστιάζει στον προμετωπιαίο φλοιό, μια ανώτερη περιοχή του εγκεφάλου που υποστηρίζει τις εκτελεστικές λειτουργίες. Ο προμετωπιαίος φλοιός συνδέεται, όμως, τόσο με τον ιππόκαμπο, την περιοχή που υποστηρίζει τη χωρική μνήμη, όσο και με τον κογχικομετωπιαίο φλοιό, ο οποίος υποστηρίζει την προσαρμοστικότητα στην αλλαγή κανόνων. Ειδικότερα, στα πλαίσια του ανθρώπινου δείγματος διερευνήθηκε η επίδραση της εξάσκησης της μνήμης εργασίας στη γνωστική ευελιξία σε ένα δείγμα 144 υγιών συυμετεχόντων (74: άνδρες & 65: γυναίκες), οι οποίοι διακρίθηκαν σε τρεις ομάδες. Στην: α)ομάδα ελέγχου: όπου για έξι μέρες μετά τη βασική εκτίμηση, οι συμμετέχοντες δεν είχαν καμία υποχρέωση σχετικά με τη μελέτη, β)ομάδα μερικής εξάσκησης: όπου αμέσως μετά τη βασική εκτίμηση και για έξι μέρες, οι συμμετέχοντες εκτελούσαν καθημερινά τη δοκιμασία Letter – Number Sequencing (LNS) μέχρι τις δοκιμές με τρία ψηφία και γ)ομάδα πλήρους εξάσκησης: όπου αμέσως μετά τη βασική εκτίμηση και για έξι μέρες, οι συμμετέχοντες εκτελούσαν καθημερινά τη δοκιμασία LNS. Μετά από μια εβδομάδα, από τη συνεδρία της βασικής εκτίμησης, όλοι οι συμμετέχοντες εκτέλεσαν τη δοκιμασία Intra/Extra Dimensional Shift (ID/EDS). Επίσης, κατά την πρώτη συνεδρία βασικής εκτίμησης, πραγματοποιήθηκε λήψη δείγματος στοματικού επιχρίσματος των συμμετεχόντων. Αυτό το βήμα είχε ως στόχο τη συσχέτιση της απόδοσης του δείγματος με συγκεκριμένους γενετικούςπολυμορφισμούς, δηλαδή τον COMT (rs4680) και τον BDNF (rs6265).Τα αποτελέσματα ανέδειξαν μια στατιστικά σημαντική επίδρασης της εξάσκησης της μνήμης εργασίας στην προσαρμοστικότητα. Πιο συγκεκριμένα, αναδείχθηκε ότι η ομάδα πλήρους εξάσκησης έκανε λιγότερα λάθη, λιγότερο χρόνο και λιγότερες προσπάθειες για την ολοκλήρωση των σταδίων της δοκιμασίας σε σχέση με την ομάδα ελέγχου. Σχετικά με το φύλο εντοπίστηκε ότι οι άνδρες συγκριτικά με τις γυναίκες συμμετέχουσες χρειάζονταν μεγαλύτερο χρονικό διάστημα για να ολοκληρώσουν τα εννέα στάδια της δοκιμασίας ID/EDS. Ωστόσο, δεν παρατηρήθηκε κάποια άλλη διαφορά φύλου στη δοκιμασία της γνωστικής ευελιξίας. Σχετικά με τη συσχέτιση του γενετικού υποβάθρου και της ομάδας εξάσκησης ή μη εντοπίστηκε ότι οι συμμετέχοντες μόνο της ομάδας ελέγχου που φέρουν το Met/Val αλλήλιο (ετεροζυγώτες) χρειάστηκαν μεγαλύτερο αριθμό δοκιμών για να ολοκληρώσουν τα στάδια της δοκιμασίας, συγκριτικά με τους συμμετέχοντες που ήταν ομοζυγώτες (Val/Val και Met/Met) της ομάδας ελέγχου και τους ετεροζυγώτες των δυο ομαδών εξάσκησης. Χρησιμοποιώντας ένα παρόμοιο πειραματικό σχεδιασμό, με βάση το δεύτερο στόχο, η μελέτη στα ζώα εξέτασε την επίδραση της εξάσκησης της μνήμης εργασίας, μέσω της χρήσης της δοκιμασίας Delayed Alternation Task (DAT) στο T-maze, στη γνωστική ευελιξία. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν 79 μύες ράτσας C57BL/6 (67:αρσενικά & 32:θηλυκά). Στη συνέχεια τα ζώα χωρίστηκαν σε τρεις ομάδες: Στην α)στην ομάδα ελέγχου, στην οποία τα ποντίκια παρέμειναν στον κλωβό τους, β)στην ομάδα μερικής προσαρμογής, όπου τα ποντίκια εκτέλεσαν το DAT χωρίς καθυστερήσεις και γ)στην ομάδα πλήρους προσαρμογής, στην οποία τα ποντίκια εκτέλεσαν το DAT με αυξανόμενες καθυστερήσεις. Η εξάσκηση της μνήμης εργασίας διήρκεσε εννέα ημέρες, και δυο ημέρες αργότερα, όλα τα ποντίκια υποβλήθηκαν σε μια δοκιμασία εκτίμησης της γνωστικής ευελιξίας, το Attentional Set - Shifting Task (AST). Επίσης, σε 15 ζώα και των τριών ομαδών πραγματοποιήθηκαν οι δοκιμασίες μνημονικής αναγνώρισης αντικειμένων, καθώς και η δοκιμασία συντελεστικής μάθησης φόβου. Με το πέρας των συμπεριφορικών δοκιμασιών από τους μύες που συμμετείχαν στις δοκιμασίες, 26 θανατώθηκαν και οι εγκέφαλοι τους υποβλήθηκαν σε χρώση Golgi-Cox και σε χρώση Nissl. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ομάδα πλήρους προσαρμογής, παρουσίασε βελτιωμένη επίδοση ιδιαίτερα στους αρσενικούς μύες, εφόσον έκανε λιγότερα λάθη και λιγότερες δοκιμές προκειμένου να ολοκληρώσει τα στάδια της δοκιμασίας AST, συγκριτικά με την ομάδα μερικής προσαρμογής. Η βελτιωμένη αυτή εικόνα της ομάδας πλήρους προσαρμογής παρατηρήθηκε σε καίρια στάδια της δοκιμασίας, σε ένα από τα οποία γίνεται η εναλλαγή εντός της διάστασης (Compound discrimination reversal -CDR). Στην περίπτωση των θηλυκών μυών εντοπίστηκαν διαφορές όσον αφορά τους χρόνους αντίδρασης στην ίδια δοκιμασία, καθώς παρατηρήθηκε ότι η ομάδα πλήρους και μερικής προσαρμογής χρειάστηκε λιγότερο χρόνο στις περιπτώσεις των σωστών και συνολικών δοκιμών, όσον αφορά το διάστημα επιλογής ενός από τα δυο δοχεία και εντοπισμού της τροφικής επιβράβευσης, συγκριτικά με την ομάδα ελέγχου. Όσον αφορά τις ηλικιακές διαφορές, εντοπίστηκε στο σύνολο των λανθασμένων αποκρίσεων του σταδίου Simple Discrimination και Intradimensional Shift II στους αρσενικούς μύες της ομάδας ελέγχου, ότι τα ζώα ηλικίας 6-9 μηνών παρουσιάζουν μεγαλύτερο αριθμό λανθασμένων επιλογών σε σχέση με τα νεότερα (2-5), κάτι που δε συμβαίνει στην περίπτωση των άλλων δυο ομαδών. Επίσης, τα μεγαλύτερα σε ηλικία ζώα της ομάδας μερικής προσαρμογής χρειάζονταν μεγαλύτερο αριθμό δοκιμών για την ολοκλήρωση του σταδίου Extradimentional Shift, συγκριτικά με τα νεώτερα, κάτι που δεν παρατηρήθηκε στις άλλες δυο ομάδες. Οι διαφορές που εντοπίστηκαν στις τρεις ομάδες στην προσαρμοστικότητα στην αλλαγή κανόνων δεν παρατηρήθηκαν στις δοκιμασίες μνημονικής αναγνώρισης και συντελεστικής μάθησης φόβου. Τέλος, μέσω της χρώσης Golgi Cox εντοπίστηκε ότι οι μικρότεροι σε ηλικία αρσενικοί μύες παρουσιάζουν μεγαλύτερη πυκνότητα συνολικών και ώριμων ακανθών συγκριτικά με τους μεγαλύτερους, στις περιοχές του προμετωπιαίου φλοιού και του ιπποκάμπου. Επίσης αναδείχθηκε ότι η ομάδα πλήρους προσαρμογής παρουσίαζε μεγαλύτερη πυκνότητα των πιο ώριμων ακανθών (σχήματος μανιταριού και λεπτής γραμμής) τόσο στην περιοχή του προμετωπιαίου φλοιού (και για τα δυο φύλα) όσο και του ιππόκαμπου (CA1 περιοχή) (για τους αρσενικούς μύες) συγκριτικά με την ομάδα ελέγχου. Δεν παρατηρήθηκε όμως κάτι αντίστοιχο αναφορικά με το πάχος των περιοχών του προμετωπιαίου φλοιού και του ιππόκαμπουστις τρεις ομάδες των μυών με τη χρώση Nissl.Συμπερασματικά, τα ευρήματα της παρούσας διατριβής αναδεικνύουν την σημασία της μεταφραστικότητας για τη διερεύνηση των επιδράσεων της εξάσκησης της μνήμης εργασίας σε άλλες γνωστικές λειτουργίες. Η πολύπλευρη προσέγγιση που υιοθετήθηκε συμβάλλει στην καλύτερη κατανόηση των επιδράσεων της νοητικής εξάσκησης και στην προσπάθεια ερμηνείας του νευροβιολογικού υποστρώματος που αυτή δρα. Τα ευρήματα μπορούν να αξιοποιηθούν στο πλαίσιο διαμόρφωσης εξατομικευμένων πρώιμων παρεμβάσεων σε πληθυσμούς κινδύνου με ήπιες μορφές προβλημάτων